過熱區對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響

TB6鈦合金因具有較高的比強度、優異的疲勞性能以及較強的抗應力腐蝕能力，在航空航天領域得到廣泛應用。TB6作為近β型鈦合金，淬透性很高，淬透層深度可達50mm以上，這意味著TB6鈦合金可以制成尺寸較大的鍛件。但是較大尺寸的鈦合金棒材變形時，容易出現局部過熱，導致內部組織出現不均勻現象。這主要是因為變形過程中的塑性變形功除了小部分以彈性變形能的形式存儲在變形體中以外，絕大部分都轉換成熱能，而鈦合金傳熱系數較小，導致鈦合金內部區域有較大溫升。棒材內部的溫升使得心部區域的實際變形溫度高于工藝溫度，甚至可能超過相變點，內部就會生成非等軸的微觀組織，從而導致棒材橫截面組織與性能的不均勻。

國內外學者對如何減少鈦合金組織與性能的不均勻性做了很多研究，提出了諸如對變形模具加熱、降低變形速率、采用近等溫鍛造等改進措施，但是關于過熱區對大規格鈦合金棒材組織與性能影響的研究較少。隨著TB6鈦合金作為結構件在直升機、客機、戰斗機等領域的應用越來越廣泛，對大規格TB6鈦合金棒材的需求越來越迫切。因此，科技人員對實際生產過程中內部出現過熱的大尺寸TB6鈦合金棒材進行取樣研究，通過組織觀察與力學性能測試，考察過熱區對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響，為大尺寸TB6鈦合金棒材的研發與應用提供參考。

實驗材料取自Φ330mm的TB6鈦合金鑄錠。鑄錠以0級海綿鈦、中間合金為原料，通過3次真空自耗熔煉而成，其化學成分為（w/%）：Al3.13，V10.34，Fe1.70，C0.006，H0.007，O0.052，Ti余量。鑄錠經過開坯、改鍛，最終獲得橫截面尺寸為210mm×210mm的TB6鈦合金方形棒材。對棒材進行755℃×2h/WQ+515℃×8h/AC熱處理。取樣進行組織觀察與性能測試。

結果顯示，距棒材表面深度為60mm以內的區域為正常的球狀等軸組織，深度超過65mm的心部過熱區為針狀網籃組織。過熱區的形成主要是由于心部區域在固溶處理時的冷卻速度低于臨界冷卻速度，沒有生成亞穩β相，而直接生成α+β相造成的。棒材橫截面上過熱區面積占比約18.4%，相比正常區域，其抗拉強度最大降低22.9%，屈服強度最大降低28.5%，布氏硬度降低4.2%，但是具有較好的塑性、較高的平面應變斷裂韌度與較強的抗疲勞裂紋擴展能力。過熱區的存在增大了棒材橫截面組織與性能的不均勻性，降低了TB6鈦合金棒材及后續所制鍛件的安全系數，必須予以避免。

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